Bien que le développement des véhicules aériens autonomes, tels que les drones, ait été en plein essor technologique au cours des dernières années, certains problèmes demeurent encore et font obstacle à leur optimisation. C’est notamment le cas de la structure relativement monolithique des drones, qui les empêche d’être véritablement adaptables en situation de vol. Une recherche conjointe de l’armée américaine et de chercheurs universitaires a permis de trouver une solution à cet écueil via la mise au point d’une nouvelle méthode de morphing (changement de forme) permettant une adaptabilité structurelle en temps réel des drones durant le vol.

Des chercheurs de l’U.S.Army’s Combat Capabilities Development Command’s Army Research Laboratory et de la Texas A&M University ont publié les résultats d’une étude de deux ans sur l’interaction fluide-structure. Leurs recherches ont abouti à un outil qui sera en mesure d’optimiser rapidement la configuration structurelle des futurs véhicules à décollage vertical (FVL) tout en tenant correctement compte de l’interaction entre l’air et la structure. Au cours de la prochaine année, cet outil sera utilisé pour développer des FVL capables de changer de forme (morphing) pendant le vol, optimisant ainsi les performances du véhicule à travers différentes phases de vol.

« Envisagez une mission [Intelligence, Surveillance et Reconnaissance] où le véhicule doit se rendre rapidement à la station, puis essayer de rester sur la station aussi longtemps que possible, ou en vol stationnaire. Pendant les accélérations, des ailes courtes sont souhaitables pour aller vite et être plus manœuvrables, mais pour les parties plus lentes, des ailes longues sont souhaitables pour permettre un vol à faible puissance et haute endurance », explique Francis Phillips, ingénieur en aérospatiale.

Une optimisation et une réduction des temps de calcul nécessaires au morphing

Cet outil permettra d’optimiser la structure d’un véhicule capable d’un tel morphing tout en tenant compte de la déformation des ailes due à l’interaction fluide-structure. Une préoccupation avec les véhicules à morphing est de trouver un équilibre entre une rigidité en flexion et une souplesse suffisantes pour permettre le morphing. Si l’aile se plie trop, les avantages théoriques du morphing pourraient être annulés et pourraient également entraîner des problèmes de contrôle et instabilités.

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Les analyses d’interaction fluide-structure nécessitent généralement un couplage entre un fluide et un solveur (logiciel de calcul) structurel. Cela signifie que le coût de calcul de ces analyses peut être très élevé – dans la plage d’environ 10’000 heures de calcul – pour une configuration fluide et structurelle unique. Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont développé un processus qui dissocie les solveurs de fluide et de structure, ce qui peut réduire le coût de calcul pour une seule exécution de 80%.

simulation structure

Les chercheurs ont analysé les contraintes de pression exercées sur une aile déformée dans un tunnel à vent. Crédits : US Army

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L’analyse de configurations structurelles supplémentaires peut également être effectuée sans réanalyser le fluide en raison de cette approche découplée, qui à son tour génère des économies de coûts de calcul supplémentaires, conduisant à des réductions de plusieurs ordres de grandeur du coût de calcul lorsque l’on considère cette méthode dans un cadre d’optimisation. En fin de compte, cela signifie que l’Armée pourrait concevoir des FVL plus rapidement que grâce à l’utilisation des techniques actuelles.

Vers un développement rapide de drones pouvant changer de forme

Au cours des 20 dernières années, des progrès ont été réalisés dans la recherche sur le morphing des véhicules aériens, mais ce qui rend les études de l’armée différentes, c’est son regard sur l’interaction fluide-structure lors de la conception du véhicule et de l’optimisation structurelle au lieu de concevoir d’abord un véhicule, puis de voir comment se comportera l’interaction fluide-structure.

En réduisant le coût de calcul pour l’analyse d’interaction fluide-structure, l’optimisation structurelle des futurs véhicules à décollage vertical peut être réalisée dans un délai beaucoup plus court, selon Phillips. Lorsqu’il sera mis en œuvre dans un cadre d’optimisation et associé à la fabrication additive, les décideurs pourront utiliser cet outil pour fabriquer des véhicules aériens personnalisés optimisés pour des utilisations spécifiques.

Sources : AIAA

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